引黃水閘啟閉控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

侯 濤 ，李曉煒

（1.濟(jì)南供水分局，山東 濟(jì)南 250032；2.歷城區(qū)黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250018）

引黃水閘閘門啟閉控制系統(tǒng)，是依托遙控裝置、傳感系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行控制閘門啟閉運(yùn)行的一種有效方式。目前引黃水閘運(yùn)行管理，仍然存有技術(shù)設(shè)備滯后、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低和啟閉安全性差等問題。通過研制應(yīng)用該控制系統(tǒng)，并在楊莊引黃水閘進(jìn)行試驗(yàn)，成功解決了以上問題。

1 控制系統(tǒng)研究的背景

1.1 引黃供水在社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要作用

黃河水是山東沿黃地區(qū)主要的淡水資源，同時(shí)還是引黃濟(jì)津、引黃保泉、引黃濟(jì)青等重要水源。引黃供水為沿黃地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定提供了水力資源，滿足了沿黃城市居民生活用水、促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，最大限度地保證了農(nóng)作物關(guān)鍵期的用水，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收和城市生活、工業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境起到了舉足輕重的作用，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定做出了貢獻(xiàn)。

1.2 現(xiàn)狀和存在問題對(duì)引黃水閘運(yùn)行的影響

沿黃各地農(nóng)業(yè)灌溉最大特點(diǎn)是根據(jù)天氣及農(nóng)作物的實(shí)際情況，按照早提晚關(guān)的引水作業(yè)模式，使用黃河水。為加大水資源利用率，實(shí)現(xiàn)供水效益最大化，當(dāng)河道水位發(fā)生變化時(shí)，就需隨時(shí)調(diào)整閘門高度，酌情增加啟、閉閘門的次數(shù)，來穩(wěn)定閘后水位和流量，避免因水量突變給閘后水渠工程造成不利影響。

1.3 應(yīng)用新技術(shù)的必要性

多年來，水閘操作人員進(jìn)行閘門啟閉時(shí)，多是手工操作，工作條件差環(huán)境艱苦。特別是調(diào)水調(diào)沙期間，天氣干旱無雨，氣溫較高，水位漲落幅度大，為確保閘后水位平穩(wěn)，灌區(qū)水渠使用安全，一天啟閉調(diào)節(jié)10余次，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。因此，研究試驗(yàn)既減輕管理人員的體力勞動(dòng)、又能節(jié)約工作時(shí)間、運(yùn)行更安全可靠的操作使用設(shè)備和儀器迫在眉捷。為此，試驗(yàn)、運(yùn)用新型的水閘閘門啟閉控制系統(tǒng)進(jìn)行啟閉調(diào)節(jié)閘門非常必要。

2 SZYK型閘門啟閉控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)組成和性能

該控制系統(tǒng)主要由遙控顯示器、接收器、控制柜、傳感器等組成。在距閘室200 m的范圍內(nèi)，遙控發(fā)出閘門升降指令，接收器按照指令連接線路，經(jīng)過控制柜控制閘門升降，同時(shí)將升降高度反饋顯示器，便于升降操作；設(shè)置了閘門啟閉區(qū)間，提高了閘門運(yùn)行的安全性能。

2.2 控制系統(tǒng)原理

1）建立電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)與閘門啟閉高度的函數(shù)關(guān)系，即閘門升降高度為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的1.7倍。

2）安裝在啟閉電機(jī)上的傳感器，檢測(cè)其轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)數(shù)等信息傳遞給接收器，經(jīng)過接收器中的單片機(jī)（STC12LE5A16AD）進(jìn)行處理，計(jì)算出閘門升降高度信息并發(fā)送給遙控器。

3）遙控裝置接收到信息，LED顯示屏就會(huì)及時(shí)顯示閘門的高度數(shù)據(jù)，供管理人員實(shí)時(shí)掌握水閘閘門運(yùn)行狀況，進(jìn)行閘門升降的調(diào)整。

2.3 控制系統(tǒng)主要參數(shù)

1）遙控器。發(fā)射功率為10 kW，電壓為3 V（2節(jié)5#電池）。在遙控器上設(shè)有電源開關(guān)、LED顯示器和2組升降按鈕。

2）接收器。接收功率為10 kW，電壓為12 V。在接收器上設(shè)有電源開關(guān)、升降控制線、閘門升降數(shù)據(jù)線、歸零鍵。

3）閘門升降測(cè)試應(yīng)用值。人員測(cè)試平均值為1.69 mm/r和1.71 mm/r。故選取1.7 mm/r為理論值進(jìn)行測(cè)試，后測(cè)試證明1.7 mm/r符合實(shí)際操作運(yùn)用值。

4）在啟閉機(jī)動(dòng)力電機(jī)上安裝了3個(gè)NPN常開型的傳感器，1個(gè)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，2個(gè)鑒別電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，將信息傳遞到接收器，單片機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理，計(jì)算出閘門高度，將信息反饋到無線遙控器顯示。

5）本系統(tǒng)設(shè)有閘門啟閉高度區(qū)間0～2 m（即電機(jī)旋轉(zhuǎn)0～1 176 r，也可根據(jù)需要經(jīng)過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行調(diào)整設(shè)置）。

2.4 控制系統(tǒng)的研制

組織人員對(duì)電機(jī)設(shè)備、轉(zhuǎn)速和閘門高度進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試啟閉機(jī)上的齒輪轉(zhuǎn)速和閘門升、降高度。電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為啟閉機(jī)設(shè)備設(shè)定的電機(jī)和齒輪轉(zhuǎn)數(shù)按 43.34∶1 折算值。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明：?jiǎn)㈤]機(jī)提升閘門要克服上升阻力和閘門自重，速度較慢。下降閘門則由于閘門自重下落較快。

啟閉電機(jī)JZ242型額定轉(zhuǎn)速為698 r/min。閘門起升額定速度為1.16 m/min，即1.66 mm/r。與測(cè)試平均數(shù)據(jù)1.69 mm/r相近，分析誤差主要因啟閉機(jī)連接閘門為油絲繩松緊程度不同所致。

通過組裝調(diào)試，打開遙控器右側(cè)電源開關(guān)，在距閘室200 m的范圍內(nèi)，輕按遙控器上的1#升（降）或2#升（降）按鍵，接收器就會(huì)按照升降指令進(jìn)行控制連線，啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，閘門就會(huì)隨之升降。同時(shí)遙控器顯示系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)顯示閘門的高度，管理人員根據(jù)情況進(jìn)行升降調(diào)整操作，直至符合要求為止。

2.5 控制系統(tǒng)的使用情況

自2010年5月28日，SZYK型引黃水閘閘門啟閉控制系統(tǒng)在楊莊閘安裝試用至今，一直運(yùn)行良好，達(dá)到了研制目的。

特別是調(diào)水調(diào)沙期間，管理人員能夠隨時(shí)掌握閘門啟閉高度、閘后水渠的水位和水勢(shì)情況，每次調(diào)整閘門達(dá)到要求，只需1人就能夠方便、快捷的完成。調(diào)水調(diào)沙期間，雖然大河水位變化無常，但管理人員都能夠輕松操作完成。使用SZYK型水閘閘門啟閉控制系統(tǒng)調(diào)控閘門，達(dá)到了準(zhǔn)確、省時(shí)、省力、安全的目的，運(yùn)行效果明顯，實(shí)用性強(qiáng)。

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)現(xiàn)了閘門啟閉無線遠(yuǎn)程調(diào)控

應(yīng)用水閘閘門啟閉控制系統(tǒng)調(diào)控閘門啟閉，在遠(yuǎn)程無線遙控閘門啟閉操作上實(shí)現(xiàn)了新突破，解決了水閘運(yùn)行時(shí)多人協(xié)同操作、反復(fù)調(diào)整、頻繁啟閉的現(xiàn)實(shí)問題，實(shí)現(xiàn)了200 m范圍內(nèi)調(diào)控閘門高度的目的，減少了用工量，縮短了開啟時(shí)間，提高了工作效率。

3.2 提高了閘門運(yùn)行安全度

在接收器單片機(jī)程序內(nèi)設(shè)置閘門啟閉高度區(qū)間，即啟閉高度最小值0和最大值2 m。當(dāng)閘門降至最小值時(shí)，啟閉操作自動(dòng)停止，避免無限下降造成油絲脫槽和其他事件的發(fā)生；當(dāng)閘門升至2 m時(shí)，啟閉操作同樣自動(dòng)停止，避免了閘門過度上升帶來的不安全影響。

為保證操作安全，在遙控器、接收器都安裝了無線遙控系統(tǒng)啟閉閘門專用的電源開關(guān)，杜絕了閘門無計(jì)劃操作，避免了閘門運(yùn)行的不安全因素。

3.3 實(shí)現(xiàn)了閘門運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)再現(xiàn)

傳感器在啟閉機(jī)動(dòng)力電機(jī)上的成功運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了閘門運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)再現(xiàn)。在啟閉機(jī)動(dòng)力電機(jī)上安裝了3個(gè)NPN常開型傳感器。傳感器將運(yùn)行信息傳遞到接收器，單片機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算升、降信息，并反饋到無線遙控器，遙控器屏幕就會(huì)顯示閘門運(yùn)行高度信息，供操作人員查看和使用。此信息在遙控器上始終保留，管理操作人員實(shí)時(shí)查看閘門當(dāng)時(shí)運(yùn)行狀況，調(diào)整閘門運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)形成閘門操作功能上的互補(bǔ)

無線遙控接收設(shè)備利用電子模塊進(jìn)行組裝，與遠(yuǎn)程監(jiān)控閘門操作系統(tǒng)并聯(lián)，共同使用閘門啟閉控制設(shè)施，不需任何切換操作，二者都可單獨(dú)使用，互不影響，操作閘門運(yùn)行效果一樣，形成了閘門操作功能上的互補(bǔ)。因遙控器顯示系統(tǒng)隨時(shí)顯示現(xiàn)實(shí)的閘門高度信息，不會(huì)造成與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一同操作使用的可能。

3.5 減少設(shè)備運(yùn)行頻率，延長(zhǎng)了工程、設(shè)備使用壽命

SZYK型閘門啟閉控制系統(tǒng)，可一次精準(zhǔn)地操控閘門啟閉到要求的高度，以達(dá)到控制閘門安全引水的目的。無線遙控系統(tǒng)提升閘門的運(yùn)用，大大減少閘門啟閉頻率，降低運(yùn)行設(shè)備磨損率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，利用該系統(tǒng)調(diào)控閘門，避免了閘后水躍及折沖水流等不利現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而提升了工程運(yùn)行的安全性。